Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптический метод измерения концентрации взвешенных наносов

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Тихомиров, Константин Сергеевич

Введение.

1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов и методах его измерения.

1.1 Общие сведения о стоке взвешенных наносов.

1.2 Механизм взвешивания речных наносов.

1.3 Методы измерения взвешенных наносов.

1.4 Обзор прежних исследований.

1.5 Распределение средней мутности рек по территории России

2 Оптический метод: теоретическое обоснование и принципы реализации

2.1 Рассеяние света в мутной среде.

2.2 Дифракция электромагнитного излучения на сфере (Теория Ми).

2.3 Принципы измерения взвешенных наносов основанные на оптическом методе.

2.4 Основные источники погрешностей фотоэлектрических приборов.

3 Применение оптического метода в гидрометеорологических исследованиях.

3.1 Оптический метод в океанологии и метеорологии.

3.2 Общий подход к измерению концентрации взвешенных наносов оптическим методом в гидрометрии.

4 Апробация оптического метода измерения взвешенных наносов

4.1 Предварительные исследование.

4.2 Детальные исследования оптического метода применительно к задачам гидрометрии.

4.3 Гидрохимическая характеристика рек на территории Рос

4.4 Исследования возможности применения оптического мут-номера в водах различного химического типа

4.5 Исследование влияния органических веществ на оптические измерения.

5 Методика проведения измерений концентрации взвешенных наносов оптическим методом.

5.1 Рекомендуемая модель мутномера.

5.2 Результаты анализа данных полученных объемно-весовым и оптическим методами.

5.3 Область применения оптического метода.

5.4 Методика градуировки мутномера.

5.5 Методика проведения измерений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оптический метод измерения концентрации взвешенных наносов"

Актуальность темы

Изучение стока речных наносов является одной из основных задач речной гидрометрии, поскольку количество транспортируемых потоком наносов и их режим определяют процессы формирования речного русла. Сведения о них одна из важнейших характеристик гидрологического режима рек. Данные о концентрации взвешенных наносов и их стоке используются при решении множества практических задач, в частности при проектировании водохранилищ и гидротехнических сооружений, экологических и мониторинговых исследованиях.

Однако получение данных о стоке взвешенных наносов затруднено. В настоящее время, на сети гидрометслужбы для измерения концентрации взвешенных наносов используется объемно-весовой метод, основным недостатком которого считаются огромные трудозатраты при подготовке и проведении измерений, а также обработке полученных данных. Кроме того, в связи с увеличением антропогенного воздействия на водные объекты, возникла необходимость в приборах позволяющих проводить экспресс-анализ, в том числе и мутности воды.

Цели работы

Исследование возможности применения оптического метода для определения концентрации взвешенных наносов. Разработка более совершенного прибора (оптического мутномера) и определение характеристик и оптимальных параметров его для производства измерений с необходимой точностью. Создание методики проведения измерений взвешенных наносов оптическим методом.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

- выполнен анализ существующих методов измерений;

- исследованы принципы измерения взвешенных наносов оптическим методом (нефелометрический и турбодиметрический) и проведен выбор оптимального метода применительно к задачам гидрометрии;

- создан оптический мутномер, позволяющий с достаточной точностью проводить измерения;

- проведены лабораторные исследования и определены параметры прибора позволяющие проводить измерения с заданной точностью;

- выполнены полевые испытания прибора;

- выполнен анализ полученных результатов.

Методы исследования

В ходе выполнения работы проведены лабораторные и полевые измерения. Исследованы факторы, влияющие на показания прибора при измерении мутности, определена их значимость. Выполнены сопоставление и анализ данных синхронных измерений мутности воды стандартным (объемно-весовым) и оптическим методами.

Научная новизна

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

- разработан новый прибор (оптический мутномер) позволяющий определять концентрацию взвешенных наносов;

- впервые определены оптимальные технические параметры мутномера для измерения концентрации взвешенных наносов с необходимой точностью;

- исследованы основные факторы, влияющие на точность измерения, и определена их значимость;

- разработана методика градуировки прибора и проведения измерений мутномером;

- на основе натурных данных установлены географические зоны применение разработанной методики.

Практическая ценность работы

Применение мутномера для измерения концентрации взвешенных наносов позволяет существенно сокращает время затрачиваемое на измерения и позволяет выполнять экспресс - измерения мутности воды. Мутномер может быть использован на сети Гидрометслужбы и в ряде проектных организаций.

Апробация работы

Мутномер, основанный на оптическом принципе измерения концентрации взвешенных наносов, применялся при проведении полевых исследований малых водотоков верховий р. Камы (июнь-июль 2001 г.). Кроме того, в период с 1997 по 2002 г. выполнялись эпизодические измерения концентрации взвешенных наносов на реках Северо-Запада. Анализ результатов измерений показал приемлемую точность получаемых данных и высокую надежность предлагаемого метода измерения концентрации взвешенных наносов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на кафедре гидрометрии и итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ (2001 -2002 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано четыре работы.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Тихомиров, Константин Сергеевич

Результа ты исследований

Семейство кривых П= f(d)

В результате проведенных измерений на наносах различного гранулометрического состава было построено семейство кривых n=f(d) (рисунки 15 и 16) для светового потока прошедшего через мутную среду и рассеянного на ней.

Прямой свет П= f(d,IIp).

Грунты с наименьшим размером частиц (глины) представлены на рисунке 15 кривыми 1 и 2. Наносы представленные кривыми 3 и 4 имеют больший средний размер частиц (мел и глина с включениями мелкозернистого песка). С увеличением концентрации наносов сила тока на фотоприемнике прямого света падает, т.е. наблюдается обратная зависимость.

Следует отметить, что при использовании наносов созданных искусственным путем с включением песка, даже самого мелкого, погрешность измерений возрастает, из-за несовершенства установки для проведения эксперимента (интенсивное осаждение частиц).

Рассеянный свет П= f(d,Pacc.)

На рисунке 16 для грунтов с наибольшими размерами частиц зависимости представлены кривыми 4 и 3 (глина с мелкозернистым песком и мел соответственно), а для грунтов содержащих средние и мелкие фракции кривыми 1 и 2.

В рассеянном свете с увеличением концентрации наносов сила тока на фотоэлементе увеличивается, т.е. наблюдается прямая зависимость.

Рисунок 15 - Результаты измерений интенсивности поглощенного светового потока в среде с наносами различного гранулометрического состава р, мг/л д

W S

3 £ о

160 140 120 100 80 60 40 20 0

4 2

А

3 > р /

И*

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Показания прибора

Рисунок 16 - Результаты измерений интенсивности рассеянного светового потока в среде с наносами различного гранулометрического состава С целью определения погрешности измерений нефелометрическим и турбидиметрическим принципами была проведена серия измерений мутности воды, с использованием одного и того же грунта. В результате измерений было установлено, что наблюдается незначительная вариация кривых, как на прямом, так и на рассеянном свете. Результаты измерений представлены на рисунках 17 и 18.

140 р, мг/л J 2Q

11100 а 80 н я и

3 60

33 о 40

20 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 -►

Показания прибора

Рисунок 17 - Результаты измерений турбидиметром

140 р, мг/л

120 к Ф100 сг cL 80 н ас 60 я о

И 40

20 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 -^ Показания прибора

Рисунок 18 - Результаты измерений нефелометром

Контрольные измерения

Для определения погрешностей прибора на наносах различного гранулометрического состава были проведены следующие исследования. Предварительно были проведены измерения на "опорном" грунте (глине с малым содержанием средних и отсутствии крупных фракций). Затем, добавляя глины более крупного фракционного состава, был получен грунт отличный от "опорного", содержание средних и крупных фракций было больше на 40 - 50 %.

Кривые контрольных измерений представлены на рисунках 19 (проходящий свет) и 20 (рассеянный свет).

V

Л ¥ Jt

Y р, мг/л к я

Kj

О, н X и п X о

120 100 80 60 40 20 0 \ \ V \ \ \ ч

V

1 v\ 1

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Показания прибора

Рисунок 19 - Результаты измерений ослабленного светового потока р, мг/л к я я сЗ О, н £ и Я я о W

120 100 80 60 40 20 0

1/

4 /J" г/ W

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Показания прибора

Рисунок 20 - Результаты измерений рассеянного светового потока

Анализ полученных результатов

Внешние факторы

В результате проведенных исследований была выявлена значимость влияния некоторых внешних факторов и физических параметров водной среды. Было определено, что турбулентность потока не оказывает влияния на показания прибора. Также, было получено, что температура и цвет воды не оказывает существенного влияния (в пределах погрешности прибора) на точность измерения концентраций. Химический состав водной среды оказался, по предварительным исследованиям, единственным фактором вносящим существенные погрешности в измерения (~20 - 25%).

Внешние факторы, такие как освещенность водного потока и другие, не оказывают какого-либо влияния на точность измерений.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности применение прибора, как в стоячей, так и в движущейся воде, в любую погоду и в различных водах.

Зависимость показаний прибора от характера наносов

Результаты эксперимента с грунтами различного гранулометрического состава представлены на рисунках 15 (проходящий свет) и 16 (рассеянный свет) в виде семейства кривых.

В прямом свете с увеличением мутности показания прибора уменьшаются и при уменьшении диаметра частиц кривая становится более пологой и сдвигается в левую часть рисунка.

В рассеянном свете наблюдается обратная картина.

Принцип нефелометрии дает лучшие результаты при измерении грунтов с различным гранулометрическим составом. Это объясняется тем, что область индикатрисы рассеянного света под углом 90° оказалась более устойчива к вариации функции распределения гранулометрической кривой наносов.

Кривые 2, 3 и 4 практически совпадают по вышеуказанным причинам. Существенное отличие кривой 1 (глина с включениями мелкозернистого песка) от 2, 3 и 4 объясняется несовершенством установки для проведения эксперимента.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что в рассеянном свете, с увеличением мутности показания прибора возрастают, а увеличение диаметра частиц приводит к увеличению крутизны кривых.

В результате измерений было выявлена вариация кривых. Под вариацией кривых мы подразумеваем незначительное изменение угла наклона, что объясняется погрешностью измерений.

Контрольные измерения

В результате проведения серии контрольных измерений на однородном грунте было выявлена незначительная вариация результатов измерений, как в прямом, так и в рассеянном свете. Анализ данных измерений, нанесенных на графики, показал и незначительное изменение угла наклона и вариацию нуля кривых. Результаты измерений и вычислений погрешности представлены в таблицах 5 и 6.

Заключение

За период проведения исследований были созданы несколько моделей оптического мутномера и проведен комплекс исследований, как параметров приборов, так и факторов влияющих на точность измерения ими.

На основании данных исследований, и опыта работы с различными моделями оптического мутномера, был создан прибор, наилучшим образом отвечающий требованиям речной гидрометрии.

В результате проведенной работы, включающей аналитические исследования, полевые и лабораторные измерения, можно сделать следующие выводы и предложения:

- разработан новый прибор для полевого экспресс-измерения концентрации взвешенных наносов, основанный на оптическом принципе;

- результаты лабораторных и полевых испытаний, проведенных, в частности, на реках Северо-Запада и Камского бассейна, позволяют рекомендовать прибор для использования его на реках с концентрацией до 250 мг/л и минерализацией до 1 г/л. При этом погрешность измерений не превышает 10-20 %;

- то обстоятельство, что значения концентрации наносов 250 мг/л и минерализации речных вод до 1 г/л наблюдаются на большинстве рек России, позволяет рекомендовать разработанный прибор и методику измерений для внедрения на сети Госкомгидромета и ряда проектных организаций, осуществляющих полевые изыскания;

- экономическая эффективность применения мутномера заключается в значительном сокращении времени измерений. Отпадает необходимость подготовки фильтров и их взвешивания, отбора и хранения проб наносов, их последующего фильтрования и взвешивания. Наибольшая эффективность применения достигается при измерении малых концентраций;

- в то же время сохраняются пути совершенствования как самого прибора, так и метода измерения концентрации взвешенных наносов. Так, одним из направлений работ может стать создание прибора и методики позволяющей проводить экспресс-измерения не только концентраций, но и гранулометрического состава взвешенных наносов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Тихомиров, Константин Сергеевич, Санкт-Петербург

1. Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия. JL: Гидрометеоиздат, 1991. - 375 с.

2. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 2, ч. 2. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 264 с.

3. Наблюдения на гидрометеорологической сети СССР. JL: Гидрометиздат, 1970. - 90 с.

4. Гидрологические приборы и гидрометрические сооружения. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 175 с.

5. Зотимов Н.В., Лавров С.А., Соловьев Н.Я. Использование радиоактивного способа для измерения мутности воды// Труды ГГИ. 1984. - Вып.305. - С. 96 - 104.

6. Арбузов И.А. Электрические измерения гидрологических величин. Л.: Изд. ЛГИ, 1975. - 157 с.

7. Разумихина КВ., Караушев А.В. Опыт применения фотометра для определения мутности воды// Труды ГГИ. 1963. - Вып. 100. -С. 40-53.

8. Илларионов А.В., Тихомиров К.С. Опыт применения оптического измерителя концентрации взвешенных частиц применительно к задачам гидрометрии// Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 23 24 января 2001 г: Тезисы докладов - СПб.: Изд. РГГМУ, 2001. - С. 74-76.

9. Шамов Г. И. Сток наносов рек СССР. Л.: Гидрометиздат, 1956. -254 с.

10. Ю. Шамов Г. И. Речные наносы. Л.: Гидрометиздат, 1959. - 378 с.

11. Сток наносов, его изучение и географическое распределение. Л.: Гидрометиздат, 1977. - 240 с.

12. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 267 с.

13. Г. ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. М. Изд-во. Иностр. литерат, 1961. - 536 с.

14. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехтеоретиздат, 1951.-288 с.

15. Бегунов В.Н., Жуков Ю.П. и др. Автоматические приборы для измерений концентрации суспензий. М.: Машиностроение, 1979. -119 с.

16. Шифрин К.С. и др. Использование индикатрис рассеяния света для исследования морской взвесиII Известия АН СССР. Сер. Оптика океана и атмосферы. JL Из-во "Наука". - 1972 г. 25 -44 с.

17. Байвель Л.П., Лагунов А.С. Измерение и контроль дисперсности частиц методом светорассеяния под малыми углами. М.: Энергия, 1977. - 87 с.

18. Никифорова Н.К. Фотоэлектрические приборы для измерения концентраций и функции распределения частиц аэрозоля по размерам// Труды ИЭМ. 1973. - Вып. 4 (38). - С. 105 - 110.

19. Knudsen М. On measurement of penetration of light into the sea// Cons. Perm. Int. Explor. Mer. Publ. Circ., 1922. 76. -16 p.

20. Atkins W.R.G., Poole H.H. The photo-electric measurement of penetration of light of various wavelengths into the sea and the physiological bearing of the results// Philos. Trans. R. Soc. London, 1933.-Ser. B, 222. - P. 129.

21. Шулейкин B.B. Материалы по оптике рассеивающей среды в применении к морской воде, туманам и облакам// Геофизика. -1933.- Т.З,С. 145-180.

22. Гершун А.А. Теория светового поля. Л.: Изд. ОНТИ, 1936. -178 с.

23. Шифрин К.С. Оптические исследования облачных частиц// Исследования облаков, осадков и грозового электричества: Сб. статей. Л.: Гидрометиздат, 1957.-С. 19-25.

24. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. М. Физматгиз, 1965. - 511 с.

25. Копелевич О.В., Буренков В.И. О связи между спектральными значениями показателей поглощения света морской водой, пигментами фитопланктона, желтым веществом// Океанология. -1977. Т. 17, вып.З. - С. 427 - 433.

26. Копелевич О.В., Маштаков Ю.А., Буренков В.И. Исследования вертикальной стратификации рассеивающих свойств воды// Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане: Сб. статей. М.: Наука, 1975. - С. 54 - 60.

27. Халемский Э.Н., Войтов В.И. Районирование вод Тихого океана по прозрачности// Оптика океана и атмосферы: Сб. статей. Л.: Наука, 1972.-С. 181-186.

28. Козлянинов М.В., Овчинников И.М. О связи прозрачности вод с течениями в северо-восточной части Тихого океана// Труды ИОАН.- 1961. Т.45.- С. 102-112.

29. Шифрин К.С., Копелевич О.В. Современные представления об оптических свойствах морской воды// Оптика океана и атмосферы: Сб. статей. М.: Наука, 1981. - С. 4 - 55.

30. Шифрин К.С., Чаянова Э.А. Теория нефелометрического метода измерения прозрачности и структуры атмосферного аэрозоля// Изв. АН СССР. Серия ФАО, 1967. - Т. 3, №3, - С. 45 - 52.

31. Копелевич О.В., Буренков В.И. О нефелометрическом методе определения показателя рассеяния// Изв. АН СССР. Серия ФАО, -1971.-Т. 7,№12,-С. 1280- 1289.

32. Ерлов Н.Г. Оптика моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 247 с.

33. G. Mie. Beitnige zur Optik trbber Medien, speziell kolloidalen MetalllHsungen// Ann. Phys. 1908. - 25. - 377 p.

34. Шулейкин B.B. Физика моря. M.: Наука, 1968. - 1083 с.

35. Бартенева О.Д., Довгялло Е.Н. Полякова Е.А. Экспериментальные исследования оптических свойств приземного слоя атмосферы// Труды ГГО 1967 - Вып. 220. - С. 26 - 35.

36. Jerlov N.G. The particulate matter in the sea as determined by means of the Tyndall meter// Tellus. 1955. - 7, №2,1955. - P. 218 - 225.

37. Tyler J.E. Measurement of the scattering properties of hydrosols// J. Opt. Soc. America.- 1961. 51, № 11. - P. 1289 - 1293.

38. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 6, ч. 3. JL: Гидрометеоиздат,1958. - 290 с.

39. Карабашев Г.С., Якубович В.В. Пространственно-временная изменчивость показателя рассеяния света под углом 45° в деятельном слое Индийского океана// Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане М.: Наука, 1975, -С. 82- 93.

40. Карабашев Г.С., Якубович В.В. Морской погружаемый нефелометр с фиксированным углом рассеяния МПН-70// Изв. АН СССР. Серия ФАО, 1971. - Т. 7, №11, - С. 918 - 921.

41. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 03.

42. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 10 (64).

43. Алекин О.А. Гидрохимия рек СССР// Труды ГГИ. 1948, Вып. 15 (69).

44. Алекин О.А., Бражникова JI.B. Сток растворенных веществ с территории СССР. М.: Наука, 1964. - 144 с.

45. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометиздат, 1970. -444 с.

46. Атлас гидрохимических характеристик местного стока европейской территории СССР. Л.: Гидрометиздат. 1972. - 47 с.

47. Емельянова В.П., Данилова Г.Н. Гидрохимические карты рек Советского Союза. Гидрохимические материалы. Л. 1982. - Т. 79. 3 -10 с.

48. Прокофьева Т.И., Тихомиров К.С. Мониторинг поверхностных вод в районах деятельности калийных предприятий// Тезисы. 1-го Всероссийского совещания по мониторингу геологической среды. Березники, 1999. - С. 90 - 91.

49. Илларионов А.В., Тихомиров К.С. Применение оптического фотомутномера в водотоках с водами различного химического типа. Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 30-31 января 2002.: Тезисы докладов СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. - С. 80 - 82с.

50. Константинов А.С. Общая гидробиология. М.: Высшая школа, 1972.- 472 с.

51. Шевченко М.А. Органические вещества в природной воде и методы их удаления. Киев.: Наукова думка, - 1966. - 202 с.

52. Тихомиров К.С. Область применения оптического измерителя концентрации взвешенных наносов// Итоговая сессия ученого совета РГГМУ 27-28 января 2003: Тезисы докладов СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. - С. 90 - 92.р,% 50 —40 —3020 Н-10